第十一单元物理学与能源技术[1].doc

第十一单元 物理学与能源技术【单元概述】在工业社会不断发展的进程中，能源的需求也在不断的增长。而日渐告罄的能源总是催促着物理学家寻找出新的能源来。在不同的时代，有着不同的物理突破，也伴随着不同的能源进程。不同时期都有各种能源问题，解决能源问题，可以由三种途径：转变能源利用方式，提高能源利用率；以新的途径开发新能源；直接利用物理方式获取新能源。在各个阶段，为了能源的需求，物理学做出了自己卓越的贡献。各个物理学家的研究成果推动着能源领域的长足发展。本单元主要通过学习能量守恒定律，让学生认识到能量有限、能源有限，需要节约能源，开发新能源。以便走持续发展的道路。专题学习侧重点学时能量守恒定律理解能量守恒定律1能量的转化性、转化效率、核能理解能源利用中的效率问题了解核能1能源知道能源的分类知道对核能、太阳能的开发和利用知道能源危机与可持续发展1专题一 能量守恒定律【问题情境】在许多城市里，我们会看到路灯上方有风车和太阳能板，这种装置叫风光互补发电系统，看完图片后，你想到了哪些问题？物体具有哪些能量，不同的能之间会转化吗？能之间的转化遵循什么样的规律？这就是本专题要研究的内容。【图示优化】能量与生活有什么样的关系？能量形式有哪些？能量之间如何转化能量转化 应遵循什么定律永动机能实现吗？【过程支架】1. 形形色色的能量1. 太阳光能让冰雪熔化。2. 从高空落下的乒乓球.3. 电为我们描绘的灿烂景象上述三个例子说明物体具有 思考：运动形态不同，物体所具有的能量相同吗？运动的多样性能说明能量形式的多样性吗？2. 不同形式能量的相互转化1. 夜晚，家里的节能灯亮了。2. 皮球从空中落下地面。3. 冬天，太阳照在身上，感觉暖和。上述三个例子,各自消耗了什么能，又得到了什么能？说明了能量是可以转化和转移的。3. 能量守恒定律与永动机小球来回摆动的过程中，每次都能达到原来的高度吗？小球为什么达不到原来的高度？在此过程中，机械能守恒吗？机械能到哪儿去了？能量守恒定律的内容是什么？用此定律解释：钟表为什么要定时上发条？你觉得永动机能制成吗？为什么？【素材提供】能量（1）自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等。（2）不同形式的能量之间可以相互转化：“摩擦生热，是通过克服摩擦做功，将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时，水蒸气对壶盖做功，将壶盖顶起，将内能转化为机械能；电流通过电热丝做功，将电能转化为内能；等等”。这些实例说明了，不同形式的能量之间可以相互转化。（3）某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。【归纳迁移】 当运动形式不相同时，两个物体的运动特性，唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，即能量特性是一切运动着的物体的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。 当运动形式相同时，两个物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述和比较。例如，两个做机械运动的物体可以用速度、平均速度等物理量来描述和比较。归纳梳理能量具有形形色色的特点遵守能量守恒定律永动机不能实现可以转移、转化研学点拨问题一：我们身体的能量来自哪儿？ 问题二：猪、牛等动物活动能量来自哪儿？ 问题三：植物的营养能量来自哪儿？ 问题四：日常生活中燃烧的煤，能量来自哪儿？ 请同学们结合例子及课本的内容说说能量的来源难点突破根据能量转化和守恒定律可知，能量是守恒的，能量的总量是不变的，所以提倡节约能源没有必要，这种想法对吗？ 提示：不对，能量是守恒的，但能量的转移和转化是有方向的，在利用能量的过程中，有些能量变成了不能重复利用的能量，成为无用的能量，所以必须节约能源。【典题精析】阅读下文回答问题光污染，来自靓丽的玻璃幕墙最近张小姐十分苦恼，因为她的房子正对着一座新大厦的玻璃幕墙。有时站在她家的窗前，看到对面玻璃幕墙就象平面镜一样，将同楼居民家的一举一动看得清清楚楚。玻璃幕墙的反光也使她苦不堪言，只要是晴天，她的房间就被强烈的反射光线照得通亮，无法正常休息。尤其那种凹形建筑物，其玻璃幕墙在客观上形成一种巨型聚光镜，一个几十甚至几百平方米的凹透镜，其聚光功能是相当可观的，能使局部温度升高，造成火灾隐患（1）从文中找出一个光学方面的物理知识填入横线：_；（2）文中有一处出现科学性的错误，请在错误句子下面画上横线_；（3）从本文中找出一个玻璃幕墙给居民生活带来的不便或危害的实例：_；（4）如何预防光污染？请你提出一条合理化的建议：_。分析：文中提到平面镜，由此知是光的反射，凹透镜使光线发散而不是会聚，在生活中对于玻璃墙的使用应该慎重。答案：（1）光的反射（或平面镜成像等）；（2）一个几十甚至几百平方米的凹透镜，其聚光功能是相当可观的；（3）造成火灾隐患（或危害居民身体健康、暴露生活隐私等）；（4）建议对城市使用玻璃幕墙的范围、设计、制作和安装制订统一技术标准。（或限制使用玻璃幕墙等）。【自主训练】1.能量既不能 ，也不会 ，它只能从一种形式 为另一种形式，或从一个物体 到其他物体，而能的 保持不变。2.说一说能量的转换。 灯泡发光 用电饭锅做饭 利用风来发电3.议一议：永动机为什么不能实现？专题二 能量转化性和效率、核能【问题情境】 看了上述图片，你有何感想？核能有用吗？人们如何利用它？怎么解决使用过程中的安全方面问题？这就是本专题要解决的问题。【图示优化】能量之间转化时有什么条件？什么是转化的方向性？什么是转化的效率？与节能问题有何联系？什么是核能？怎么利用？【过程支架】1. 能量的转化具有方向性1. 山顶的巨石从周围环境中获取能量，滚向坡顶；2. 枯萎的花儿，自发从空中吸收能量水分重焕青春；3. 水自己从低处流向高处结合上述三个例子思考：a这些情形可能发生吗？b这些情形能量守恒吗？与同伴交流，说明能量的流向也并不是随意的，即能量具有 2. 能量转化的效率利用燃气灶烧水天然气燃烧时热量称之为 ，水吸收的热量称之为 ，散发到大气，壶体的那部分热量统称为 根据能量守恒定律可知，输入能量= 仿照机械效率的概念及公式，得出能量转化效率公式 能量转化效率和机械效率有什么共同之处吗？根据公式，你计划如何提高能量转化效率？3.什么是核能？怎样利用？质子和中子通过 的相互作用紧密地结合在一起。但有些原子核会按照一定的规律发出射线，变成新的 。阅读课本内容 是核能，也就是 。查阅资料：链式反应是什么？可以控制吗？它与核反应堆有何关系？核聚变你知道多少呢?核能有2种方式，1. 是裂变，2. 是聚变。原子核质子中子【素材提供】核能的优点与缺点优点1核能发电不像化石燃料发电那样,排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。4核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂,一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。5核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法更为稳定。缺点1核能电厂会产生放射性废料，或者是使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂，排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。3核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。4核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。5核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。【归纳迁移】热机的效率是指做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，其特点小于1能量转换效率是指 与 之比，其特点是 归纳梳理能量能量是可以转化的转化效率= 核能的利用转化具有方向性研学点拨核裂变利用和危害核裂变的利用核反应堆是核电站的心脏，它的工作原理是这样的：原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出23个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核+热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为，高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。综上所述，核反应堆的合理结构应该是：核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置。还需要说明的是，铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序，制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。核裂变的危害：原子弹又称裂变弹（英语：Atomic bomb），是一种利用核原理制成的核武器。由美国最先研制成功的，具有非常强的破坏力与杀伤力，在爆炸的同时会放出强烈的核辐射，危害生物组织。其中主要利用铀235(厬U) 或钚239(厱Pu)等重原子核的裂变链式反应原理制成的裂变武器,通常称为原子弹。难点突破核电站安全吗？一提起核能，人们往往首先想到杀伤力大、破坏性强的原子弹。由于第二次世界大战中它曾在日本的广岛、长崎肆虐，加之战后，两个超级大国长期进行核军备竞赛和核恐怖宣传，使得它在人们心目中的形象赛过“凶神恶煞”。因受原子弹恶名声的株连，人们对它的同宗和平利用核能的各种装置，如核电站、核供热堆等，也产生了误解而心存余悸。尤其是1986年4月26日，苏联切尔诺贝利核电站发生了重大事故，不少人对核电站的安全问题更是谈虎色变。他们甚至在核电站和核炸弹之间划上等号。其实这是由于对核电站不了解造成的。原子弹发生爆炸必须有两个条件，一是高浓度的裂变物质含量在90以上的铀255或钚239；二是复杂精密的引爆系统。而核电站和核供热装置的心脏核反应堆所用的核燃料是低浓度的裂变物质，铀含量在3左右；不仅没有引爆装置，而且自身还有一整套安全控制系统。没有引起爆炸的内因和外因，因此不会发生爆炸。那么切尔诺贝利核电站事故是怎么回事呢？这主要和放射性物质外逸有关。因为核反应堆设计的工作条件不稳定，温度自控能力差，产生了功率骤增，燃料烧毁，堆壳破坏。使作为减速剂的高温石墨与空气接触发生猛烈燃烧，防护装置破坏，致使大量放射性物质外逸，造成约30人死亡的灾难性事故。这些情况在压水反应堆就不会出现。目前世界上多数裂变反应堆是压水堆。我国浙江省秦山核电站、广东省大亚湾核电站以及清华大学研制的世界上第一座投入运行的壳式供热堆都是压水堆。为防止放射性物质外逸，压水堆中有四道安全屏障：第一道是将核燃料制成粉笔头大小的二氧化钠陶瓷块；这些陶瓷块再叠放在第二道屏障密封的锆包壳内，制成燃料棒。棒与棒之间是循环水，含铀陶瓷块可耐2800的高温，既不会烧成灰烬，也不会熔化，98的放射性裂变产物会保留其中而不外逸。燃料棒组成的堆芯及换热器密封在钢制压力壳内，形成第三道屏障。压力壳外面是厚1米左右的钢制安全壳，这就是第四道屏障了。即使压力壳万一泄漏，带放射性的冷却水也会被限制在安全壳内。因此，人们根本不用担心放射性物质外逸造成危害。切尔诺贝利悲剧不会在这些核反应堆重演。我国对核电站的安全问题非常重视，成立了专门负责安全监督的核安全局。我国的秦山核电站，已于1989年4月，接受国际原子能机构检查组进行的“运行前安全评审”，他们对秦山核电站工程是肯定的，认为是高标准的。核电站的安全问题只要认真对待，是可以解决的。【典题精析】如图所示，简易太阳能热水器受光面积，内装水，太阳每分钟辐射到 面积上的热量是，如果60的热量被水吸收，问： 太阳能热水器内壁为什么涂成黑色？ 20的水晒3后水温能达多少？ 煤气的热值是，若煤气灶的效率为40，烧热（达到中水的末温）这些水需燃烧多少煤气？解析：解答本题首先要清楚什么颜色吸热能力强，其次热量的计算要熟悉，的来源要清楚，再次要明确热平衡方程及其计算。解答：黑色表面对太阳辐射的吸收强，所以太阳能热水器内壁要涂成黑色。 简易太阳能热水器3得到太阳的辐射热量：由热平衡方程以及得：【自主训练】1.在能源的开发和利用中，太阳能是大自然赋予人类的一种取之不尽、用之不竭的能源。在太阳内部进行着大规模的聚变，其释放的能量以电磁波的形式辐射出来。地球每年所接受的太阳能有。太阳发生聚变时释放的是哪种能量？答：。改变物体内能的方式有两种，“辐射”属于其中的 ，另一种是。地球每年所接受的太阳能为 J。2.汽车是常用的交通工具，汽车的许多问题都跟物理知识有关。下列中的（填代号）属于无污染汽车。A汽油汽车 B柴油汽车 C太阳能汽车汽车上有许多地方要利用光的反射，如图中的A，B两处A为观后镜，B为车头灯内的反射镜。A应为，B应为。（选填“平面镜”“凹面镜”和“凸面镜”） 如图是汽车司机看到的路边指示牌。在遵守交通规则的前提下，汽车抵达重庆至少还需要h。3.关于能源，下列说法正确的是（ ） A地球上的能源都是可再生能源 B核能是无污染的可再生能源 C核废料会对环境造成严重的破坏，不能随意丢弃 D目前的核电站都是利用核聚变释放的核能来发电的专题三 能源【问题情境】同学们看了上述图片，想到了什么？我们周围时刻都伴随着能量的转化和转移过程，那么能量来自哪里？能量是取之不尽，用之不竭的吗？这就是本专题要解决的问题。【图示优化】什么是能源？怎么给能源分类？能源的储量及需求量如何？怎么解决能源危机问题？怎么开发新能源？【过程支架】1. 能源分类为人类提供某种形式能量的物质资源叫能源例：煤炭，石油，水，电，风能，蒸汽，柴禾，天然气等均是 阅读课本相关内容：按生产能源分为 、 ；按是否可以再利用分为 、 ；按利用现状分为 、 。动一动，把第二个方框中的例子进行分类2. 能源储量及需求你对地球上不可再生能源情况有什么看法？为什么出现这样的情况？与经济发展状况和人口增加有关吗？我们应该怎么办？ 阅读课本第47、48页内容及表格资料3.能源利用中的问题1.世界上的煤能用完吗？2.煤燃烧时污染空气吗？3.发生突发事件会中断能源吗？如果上述现象真的存在，我们的生活将会怎样？阅读课本55页内容回答：能源利用中遇到了哪些问题？如何解决这些问题呢？查阅资料或与同伴交流。4.开发新能源1.核电站利用的是什么能？2.太阳能热水器如何工作？3.某人在泡温泉，这又是利用了什么能源？4.利用风能进行发电，能量是如何转化的？阅读课本，结合例子说说，人们目前开发的新能源有哪些？它们对能源的紧张局面有何帮助？【素材提供】生活中如何节约能源1.节约用电注意随手关灯。使用高效节能灯泡。美国的能源部门估计，单单使用高效节能灯泡代替传统电灯泡，就能避免四亿吨二氧化碳被释放。节能灯最好不要短时间内开关，节能灯在开关时是最耗电的。白天可以干完的事不留着晚上做，洗衣服、写作业在天黑之前做完。早睡早起有利于身体健康，又环保节能。2.低碳烹调尽量节约厨房里的能源。食用油在加热时产生致癌物，并造成油烟，污染居室环境。减少煎炒烹炸的菜肴，多煮食蔬菜。不要把饭锅和水壶装得太满，否则煮沸后溢出汤水，既浪费能源，又容易扑灭灶火，引发燃气泄漏。调整火苗的燃烧范围，使其不超过锅底外缘，取得最佳加热效果。如果锅小火大的话，火苗烧在锅底四周只会白白消耗燃气。3.节约用水淘米水是很好的去污剂，可以留下来洗碗或者浇花。沾了油的锅和盘子要先用用过的餐巾纸擦干净，洗起来既节水省时，又可少用洗涤剂，减少水污染。冲洗衣服时，可以加入少量肥皂粉，因为洗衣粉遇到肥皂会减少很多泡沫，既省水又节约清洗的时间。洗脸、洗手用小脸盆接住水，然后倒进大桶收集起来。洗手、 洗澡、洗衣、洗菜的水和较干净的洗碗水，都可以收集起来洗抹布、擦地板、冲马桶。4.家用电器的节能使用购买洗衣机、电视机或其他电器时，选择可靠的低耗节能产品。电视、电脑不用时及时切断电源，既节约用电又防止插座短路引发火灾的隐患。不用时关掉饮水机的电源。保持冰箱处于无霜状态。5.循环再利用靠循环再利用的方法来进行材料的循环使用，可以减少生产新原料的数量，从而降低二氧化碳排放量。例如，纸和卡纸板等有机材料的循环再利用，可以避免从垃圾填埋地释放出来的沼气。据统计,回收一吨废纸能生产800千克的再生纸，可以少砍17棵大树，节约一半以上的造纸原料，减少水污染。因此，节约用纸就是保护森林、保护环境。【归纳迁移】节能，可持续发展，始终是我们应该注意的问题。但是，人们往往只停留在嘴上，卷面上，文件上，会议上-，有几个人真正能够落实到行动中呢？下面给出几种现象，我们看看在自己周围有没有。提倡坐公交出行，骑自行车上下班-私家车照开不误学生上下学不用接送-是这样的吗？人走灯关-亮着灯的有的是办公室只有一人-满屋的灯都开着-你还能想到什么？归纳梳理能源分类储量、需求特点按生产方式分按利用方式分按是否可再利用分开发新能源研学点拨能源分类其他方法按生产方式分一次能源二次能源常规能源新能源可再生能源不可再生能源可再生能源不可再生能源难点突破电能属于二次能源，可以源源不断的获得，电能也属于可再生能源，这种说法对吗？答：不对。可再生能源是指可从自然界源源不断的获得到的能源，电能是一次能源加工而来，不能说它是可再生能源。【典题精析】我们今天使用的能源有化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、核能、电能、生物质能等，下列对这些能源分析正确的是（ ） A地热能、电能、生物质能都是一次能源 B太阳能、地热能、电能都是二次能源 C化石能源、核能、太阳能都是不可再生能源D风能、水能、生物质能都是可再生能源。分析：选D，化石能源，太阳能，地热能是一次能源。电能属于二次能源，故AB错；风能、水能、太阳能、地热能、生物质能属于可再生能源，化石能源、核能属于不可再生能源。故C错。D正确。【自主训练】1. 以下能源属于可再生能源的是：（ ） A石油、水的动能 B风能、太阳能 C天然气、风能 D煤、生物质能2. 人类生存离不开能源，在太阳能、石油、水能、煤炭中，属于不可再生能源的是 ；属于洁净能源的是 。3. 如今，小型风力发电机已走入家庭，它把 能转化为电能；其中电能是 能源（“一次”或“二次”）【单元测试】一、选择1.开发和利用可再生能源是解决能源危机的有效途径，下列属于可再生能源的是（ ）A石油 B天然气 C煤炭 D太阳能2.最近国家出台了许多有关新能源开发与利用的政策，以保护环境。下列各组能源中，均为不可再生能源的是A核能、水能、天然气 B太阳能、地热能、石油C电能、地热能、风能 D煤、石油、天然气3.下列说法正确的是（）A 核能是指原子核发生变化时所释放的能量B 煤炭、石油、天然气、太阳能都是不可再生能源C 原子弹和氢弹都是利用核裂变D 目前核电站获得核能的途径是核聚变4.目前有一种新型太阳能公共卫生间，该卫生间的能源全部由位于顶部的太阳能电池板提供，它还能将多余的能量储存在蓄电池里。这种能量转化和储存的方式是A.太阳能转化为内能，再转化为电能 B.太阳能转化为电能，再转化为化学能C.太阳能转化为内能，再转化为化学能 D大阳能转化为电能再转化为